Un tubo de calor de bucle (LHP) es un dispositivo de transferencia de calor de dos fases que utiliza la acción capilar para eliminar el calor de una fuente y moverlo pasivamente a un condensador o radiador . Los LHP son similares a los heatpipes , pero tienen la ventaja de poder proporcionar un funcionamiento fiable a larga distancia y la capacidad de funcionar contra la gravedad. Pueden transportar una gran carga de calor a larga distancia con una pequeña diferencia de temperatura. [1] [2] Se han desarrollado y empleado con éxito diferentes diseños de LHP que van desde LHP potentes y de gran tamaño hasta LHP en miniatura ( micro-loop heat pipe ) en una amplia esfera de aplicaciones, tanto terrestres como espaciales.
Los refrigerantes más comunes utilizados en los LHP son el amoníaco anhidro y el propileno . [3] Los LHP se fabrican controlando cuidadosamente los volúmenes del depósito, el condensador y las líneas de vapor y líquido para que siempre haya líquido disponible para la mecha. El volumen del depósito y la carga de fluido se establecen de manera que siempre haya fluido en el depósito incluso si el condensador y las líneas de vapor y líquido están completamente llenos.
Generalmente, en una mecha se necesitan un tamaño de poro pequeño y una gran capacidad de bombeo capilar. Debe haber un equilibrio entre la capacidad de bombeo de la mecha y la permeabilidad de la mecha al diseñar un tubo de calor o un tubo de calor de bucle. [ cita necesaria ]
En un tubo de calor de circuito, primero el calor ingresa al evaporador y vaporiza el fluido de trabajo en la superficie exterior de la mecha. Luego, el vapor fluye por el sistema de ranuras y luego va al evaporador y la línea de vapor hacia el condensador, donde se condensa a medida que el radiador elimina el calor . El depósito de dos fases (o cámara de compensación) al final del evaporador está diseñado específicamente para funcionar a una temperatura ligeramente más baja que la del evaporador (y el condensador). La presión de saturación más baja en el depósito atrae el condensado a través del condensador y la línea de retorno de líquido. Luego, el líquido fluye hacia un tubo central donde alimenta la mecha . Una mecha secundaria une hidráulicamente el depósito y la mecha primaria. [ cita necesaria ]
Los tubos de calor en bucle superan algunas de las deficiencias de los tubos de calor convencionales, que si bien son excelentes dispositivos de transferencia de calor, se limitan principalmente a transferir cargas de calor relativamente pequeñas en distancias relativamente cortas cuando el evaporador y el condensador están al mismo nivel horizontal. Esta limitación por parte de los heatpipes está relacionada principalmente con las importantes pérdidas de presión asociadas con el flujo de líquido a través de la estructura porosa, presentes a lo largo de toda la longitud del heatpipe, y la interacción viscosa entre las fases de vapor y líquido, también llamadas pérdidas por arrastre. . Para las aplicaciones que implican la transferencia de grandes cargas de calor a largas distancias, el rendimiento térmico de los tubos de calor se ve gravemente afectado por el aumento de estas pérdidas. Por la misma razón, los heatpipes convencionales son muy sensibles al cambio de orientación en el campo gravitacional. Para las pendientes desfavorables en una configuración de evaporador sobre condensador, las pérdidas de presión debidas a las fuerzas de masa en el campo de gravedad se suman a las pérdidas de presión totales y afectan aún más la eficiencia del proceso de transferencia de calor.
Como resultado de estas limitaciones, se han propuesto diferentes soluciones que implican modificaciones estructurales al heatpipe convencional. Algunas de estas modificaciones incorporan tubos arteriales con una resistencia hidráulica considerablemente baja para el retorno del líquido a la fuente de calor (heatpipes arteriales), mientras que otras proporcionan separación espacial de las fases de vapor y líquida del fluido de trabajo en la sección de transporte (heatpipes de línea separada). .
Aunque estas nuevas formas de tubos de calor son capaces de transferir importantes flujos de calor y pueden aumentar la longitud del transporte de calor, siguen siendo muy sensibles a la orientación espacial en relación con la gravedad. Para ampliar las posibilidades funcionales de los sistemas de dos fases a aplicaciones que implican pendientes de gravedad que de otro modo serían inoperables, las ventajas proporcionadas por la separación espacial de la línea de transporte y el uso de arterias no capilares se combinan en un esquema de bucle. Este esquema permite crear tuberías de calor con características de transferencia de calor más altas mientras se mantiene el funcionamiento normal en cualquier orientación direccional. El esquema de bucle forma la base del concepto físico de bucles bifásicos (TPL).
Los tubos de calor de bucle fueron patentados en la URSS en 1974 por Yury F. Gerasimov y Yury F. Maydanik (certificado de inventor nº 449213), todos de la antigua Unión Soviética . La patente para los LHP se presentó en los EE. UU. en 1982 (Patente n.º 4515209).
La primera aplicación espacial se produjo a bordo de una nave espacial rusa en 1989. Los LHP ahora se utilizan comúnmente en el espacio a bordo de satélites, incluidos; Granat ruso, nave espacial Obzor, satélites de comunicaciones HS 702 de Boeing (Hughes) , satélite meteorológico chino FY-1C , ICESat de la NASA . [4]
Los LHP se demostraron en el transbordador espacial de la NASA en 1997 con STS-83 y STS-94 . [ cita necesaria ]
Los heatpipes de bucle son partes importantes de los sistemas de refrigeración de componentes electrónicos.